แถบสื่อสารออปติคอล เรโซเนเตอร์ออปติคอลบางเฉียบ

แถบสื่อสารออปติคอล เรโซเนเตอร์ออปติคอลบางเฉียบ
ตัวสะท้อนแสงสามารถระบุความยาวคลื่นแสงที่เฉพาะเจาะจงในพื้นที่จำกัด และมีการใช้งานที่สำคัญในการโต้ตอบระหว่างแสงกับสสารการสื่อสารด้วยแสงการตรวจจับด้วยแสง และการผสานรวมแสง ขนาดของเรโซเนเตอร์ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุและความยาวคลื่นที่ใช้งานเป็นหลัก ตัวอย่างเช่น เรโซเนเตอร์ซิลิคอนที่ทำงานในย่านอินฟราเรดใกล้มักต้องการโครงสร้างแสงที่มีขนาดหลายร้อยนาโนเมตรขึ้นไป ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เรโซเนเตอร์แสงระนาบแบบบางพิเศษได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้ในด้านสีโครงสร้าง การถ่ายภาพโฮโลแกรม การควบคุมสนามแสง และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ การลดความหนาของเรโซเนเตอร์ระนาบเป็นหนึ่งในปัญหาที่นักวิจัยต้องเผชิญ
ฉนวนโทโพโลยี 3 มิติ (เช่น บิสมัทเทลลูไรด์ แอนติโมนีเทลลูไรด์ บิสมัทซีเลไนด์ ฯลฯ) แตกต่างจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม ถือเป็นวัสดุสารสนเทศใหม่ที่มีสถานะพื้นผิวโลหะและสถานะฉนวนที่ได้รับการปกป้องด้วยโทโพโลยี สถานะพื้นผิวได้รับการปกป้องโดยสมมาตรของการผกผันของเวลา และอิเล็กตรอนของมันไม่กระจัดกระจายโดยสิ่งเจือปนที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ซึ่งมีโอกาสสำคัญในการนำไปประยุกต์ใช้ในคอมพิวเตอร์ควอนตัมพลังงานต่ำและอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ ในขณะเดียวกัน วัสดุฉนวนโทโพโลยียังแสดงคุณสมบัติทางแสงที่ยอดเยี่ยม เช่น ดัชนีหักเหสูง ความหนาแน่นไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่ออปติคอลค่าสัมประสิทธิ์ ช่วงสเปกตรัมการทำงานที่กว้าง ความสามารถในการปรับแต่ง การผสานรวมที่ง่ายดาย ฯลฯ ซึ่งให้แพลตฟอร์มใหม่สำหรับการดำเนินการควบคุมแสงและอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์.
ทีมวิจัยในประเทศจีนได้เสนอวิธีการสร้างเรโซเนเตอร์ออปติกแบบบางพิเศษโดยใช้นาโนฟิล์มฉนวนโทโพโลยีบิสมัทเทลลูไรด์ที่เติบโตในพื้นที่ขนาดใหญ่ โพรงออปติกแสดงลักษณะการดูดกลืนเรโซแนนซ์ที่ชัดเจนในย่านอินฟราเรดใกล้ บิสมัทเทลลูไรด์มีดัชนีหักเหแสงสูงกว่า 6 ในย่านการสื่อสารด้วยแสง (สูงกว่าดัชนีหักเหของวัสดุที่มีดัชนีหักเหแสงสูงแบบดั้งเดิม เช่น ซิลิกอนและเจอร์เมเนียม) ทำให้ความหนาของโพรงออปติกสามารถเข้าถึงหนึ่งในยี่สิบของความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้ ในเวลาเดียวกัน เรโซเนเตอร์ออปติกจะถูกสะสมบนผลึกโฟตอนิกแบบมิติเดียว และสังเกตเห็นปรากฏการณ์ความโปร่งใสเหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าแบบใหม่ในย่านการสื่อสารด้วยแสง ซึ่งเกิดจากการรวมตัวของเรโซเนเตอร์กับพลาสมอนแทมม์และการรบกวนแบบทำลายล้าง การตอบสนองทางสเปกตรัมของปรากฏการณ์นี้ขึ้นอยู่กับความหนาของเรโซเนเตอร์ออปติกและมีความทนทานต่อการเปลี่ยนแปลงของดัชนีหักเหแสงโดยรอบ งานนี้เปิดหนทางใหม่ในการสร้างโพรงออปติกที่บางเฉียบ การควบคุมสเปกตรัมวัสดุฉนวนโทโพโลยี และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์
ดังแสดงในรูปที่ 1a และ 1b ตัวสะท้อนแสงประกอบด้วยฉนวนโทโพโลยีบิสมัทเทลลูไรด์และฟิล์มนาโนเงินเป็นหลัก ฟิล์มนาโนบิสมัทเทลลูไรด์ที่เตรียมโดยการสปัตเตอริงแมกนีตรอนมีพื้นที่กว้างและมีความเรียบที่ดี เมื่อความหนาของฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์และฟิล์มเงินอยู่ที่ 42 นาโนเมตรและ 30 นาโนเมตรตามลำดับ โพรงแสงจะแสดงการดูดกลืนเรโซแนนซ์ที่แข็งแกร่งในช่วง 1100-1800 นาโนเมตร (รูปที่ 1c) เมื่อนักวิจัยนำโพรงแสงนี้ไปวางบนผลึกโฟตอนิกที่ทำจากชั้น Ta2O5 (182 นาโนเมตร) และ SiO2 (260 นาโนเมตร) สลับกัน (รูปที่ 1e) จะพบหุบเขาดูดกลืนแสงที่ชัดเจน (รูปที่ 1f) ใกล้กับจุดสูงสุดของการดูดกลืนเรโซแนนซ์เดิม (~1550 นาโนเมตร) ซึ่งคล้ายกับปรากฏการณ์ความโปร่งใสที่เกิดจากแม่เหล็กไฟฟ้าในระบบอะตอม

วัสดุบิสมัทเทลลูไรด์ถูกจำแนกลักษณะโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและการวัดแบบวงรี รูปที่ 2a-2c แสดงภาพจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (ภาพความละเอียดสูง) และรูปแบบการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนที่เลือกของนาโนฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์ จากรูปจะเห็นได้ว่านาโนฟิล์มบิสมัทเทลลูไรด์ที่เตรียมไว้เป็นวัสดุโพลีคริสตัลไลน์ และมีทิศทางการเติบโตหลักอยู่ที่ระนาบผลึก (015) รูปที่ 2d-2f แสดงดัชนีหักเหเชิงซ้อนของบิสมัทเทลลูไรด์ที่วัดโดยเครื่องเอลลิปโซมิเตอร์ และดัชนีหักเหเชิงซ้อนของสถานะพื้นผิวและสถานะที่พอดี ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าค่าสัมประสิทธิ์การสูญพันธุ์ของสถานะพื้นผิวมีค่ามากกว่าดัชนีหักเหในช่วง 230-1930 นาโนเมตร ซึ่งแสดงลักษณะคล้ายโลหะ ดัชนีหักเหของวัตถุมีค่ามากกว่า 6 เมื่อความยาวคลื่นมากกว่า 1385 นาโนเมตร ซึ่งสูงกว่าดัชนีหักเหของซิลิคอน เจอร์เมเนียม และวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงแบบดั้งเดิมอื่นๆ ในแถบนี้มาก ซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับการเตรียมเรโซเนเตอร์แสงแบบบางพิเศษ นักวิจัยชี้ให้เห็นว่านี่เป็นรายงานครั้งแรกเกี่ยวกับการสร้างโพรงแสงแบบระนาบฉนวนเชิงโทโพโลยีที่มีความหนาเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตรในแถบการสื่อสารด้วยแสง จากนั้นจึงวัดสเปกตรัมการดูดกลืนและความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ของโพรงแสงแบบบางพิเศษด้วยความหนาของบิสมัทเทลลูไรด์ สุดท้ายนี้ ได้มีการศึกษาผลของความหนาของฟิล์มเงินต่อสเปกตรัมความโปร่งใสเหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าในโครงสร้างผลึกนาโนโพรง/โฟตอนิกของบิสมัทเทลลูไรด์

การเตรียมฟิล์มบางแบนราบของฉนวนโทโพโลยีบิสมัทเทลลูไรด์สำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่ และการใช้ประโยชน์จากดัชนีหักเหแสงที่สูงมากของวัสดุบิสมัทเทลลูไรด์ในแถบอินฟราเรดใกล้ ทำให้ได้โพรงแสงระนาบที่มีความหนาเพียงไม่กี่สิบนาโนเมตร โพรงแสงบางเฉียบนี้สามารถดูดซับแสงเรโซแนนซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในแถบอินฟราเรดใกล้ และมีคุณค่าสำคัญต่อการประยุกต์ใช้ในการพัฒนาอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ในแถบการสื่อสารด้วยแสง ความหนาของโพรงแสงบิสมัทเทลลูไรด์เป็นเส้นตรงกับความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ และมีขนาดเล็กกว่าโพรงแสงซิลิคอนและเจอร์เมเนียมที่คล้ายคลึงกัน ในขณะเดียวกัน โพรงแสงบิสมัทเทลลูไรด์ยังถูกผสานเข้ากับผลึกโฟโตนิกเพื่อให้ได้ผลทางแสงที่ผิดปกติคล้ายกับความโปร่งใสเหนี่ยวนำด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าของระบบอะตอม ซึ่งเป็นวิธีการใหม่ในการควบคุมสเปกตรัมของโครงสร้างจุลภาค การศึกษานี้มีบทบาทสำคัญในการส่งเสริมการวิจัยวัสดุฉนวนโทโพโลยีในการควบคุมแสงและอุปกรณ์ฟังก์ชันทางแสง